微生物課件第一章-chapter01

1、微生物（microorganism，microbe）

是一群存在于自然界中，一切肉眼不能直接看見，必須借助光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡放大幾百倍、幾千倍甚至幾萬倍才能看清楚的或看不清的微小生物的總稱，它們是一些個體微?。ㄒ话阈∮?.1mm）、結(jié)構(gòu)簡單的低等生物。一、微生物的概念2、微生物包括哪些類群呢？第一頁，共36頁。細胞型微生物原核細胞型微生物特點：不具有真正的細胞核（只有擬核）無完整的細胞器（只有核糖體）舉例：細菌、支原體、衣原體、立克次氏體、螺旋體、放線菌真核細胞型微生物特點：有典型的細胞核有完整的細胞器舉例：真菌非細胞型微生物特點：不具有細胞結(jié)構(gòu)只能在活細胞內(nèi)增殖舉例：病毒第二頁，共36頁。1、最小的細菌：納米細菌,直徑僅50nm。三、微生物的特點最大的細菌：“納米比亞硫磺珍珠”,有些可達0.75mm。2.

微生物的特點微生物由于體形微小，因而導(dǎo)致了一系列與之密切相關(guān)的5個重要共性。

（1）體積小、面積大——比表面積大，測量微生物的單位微米第三頁，共36頁。三、微生物的類群及特點邊長立方體數(shù)總表面積比面值近似對象1.0cm16cm26豌豆1.0mm10360cm260細小藥丸0.1mm106600cm2600滑石粉粒0.01mm1096,000cm26,000變形蟲1.0um10126m260,000球菌0.1um101560m2600,000大膠粒0.01um1018600m26,000,000大分子1.0nm10216,000cm260,000,000分子對1cm3固體作10倍系列三維分割后的比面值變化第四頁，共36頁。三、微生物的類群及特點由于微生物是一個如此突出的小體積大面積系統(tǒng)，從而賦予它們具有不同于一切大生物的五個共性，因為一個小體積大面積系統(tǒng)，必然有一個巨大的營養(yǎng)物質(zhì)吸收面、代謝廢物的排泄面和環(huán)境信息的交流面。由此，產(chǎn)生其余4個共性。（2）吸收多、轉(zhuǎn)化快大腸桿菌（Escherichiacoli）每小時可分解自身重量1,000-10,000倍的乳糖。產(chǎn)朊假絲酵母（Candidautilis）合成蛋白質(zhì)的能力比大豆強100倍，比食用公牛強10萬倍，故有單細胞蛋白（singlecellprotein，SCP）的生產(chǎn)。一些微生物的呼吸速率比高等動、植物的組織強數(shù)十倍至數(shù)百倍。這個特性為微生物的高速生長繁殖和合成大量代謝產(chǎn)物提供了充分的物質(zhì)基礎(chǔ)，從而使微生物能在自然界和人類實踐中更好的發(fā)揮其超小型“活的化工廠”的作用。第五頁，共36頁。（3）生長旺、繁殖快

E.coli：12.5-20min分裂一次。如果以20min/次計算，請計算每天可產(chǎn)生多少子細胞？三、微生物的類群及特點4,722,366,500萬億個后代，總量約4,722噸。液體培養(yǎng)物細菌濃度一般僅為108-109細胞/mL，為什么？這一特性對于發(fā)酵工業(yè)的實踐意義在于生產(chǎn)效率高和發(fā)酵周期短。（4）適應(yīng)強、易變異微生物具有極其靈活的適應(yīng)性或代謝調(diào)節(jié)機制，這是任何高等動植物所無法企及的。E.coli細胞中能容納20萬-30萬蛋白質(zhì)分子，2000-3000種執(zhí)行不同生理功能的蛋白質(zhì)，若每種功能平均分配約100個蛋白質(zhì)分子，他們?nèi)阅鼙ＷC這一物種在復(fù)雜的外界環(huán)境中長期存在和進化。極端環(huán)境的適應(yīng)力驚人：高溫、高酸、高鹽、高輻射、高壓、低溫、高堿、高毒等環(huán)境中能生長繁殖。第六頁，共36頁。微生物的突變頻率很低（一般為10-5-10-10），但由于其繁殖快、數(shù)量多、受外界環(huán)境影響大等特點，相對而言容易發(fā)生變異。三、微生物的類群及特點有關(guān)青霉素有易變異正、反兩個方面的例子。青霉素的使用劑量：1940年：10萬單位/次1980年：輸液80萬單位/次2000年：輸液800萬-1000萬單位/次（5）分布廣、種類多微生物到處傳播，“無孔不入”，條件合適，即“隨遇而安”。青霉素生產(chǎn)菌的發(fā)酵水平：1940年：每毫升20單位2000年每毫升10萬單位微生物的種類多主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①物種的多樣性第七頁，共36頁。據(jù)估計，微生物的總數(shù)在50萬-60萬中之間，其中已記載過的僅20萬種（1995年），包括原核生物3,500種，病毒4,000種，真菌9萬種，原生動物和藻類10萬種，且這些數(shù)字還會急劇增加。還會發(fā)現(xiàn)多少種？三、微生物的類群及特點

②生理代謝類型的多樣性

A.分解地球貯量最豐富的初級有機物——天然氣、石油、纖維素等

B.多樣的產(chǎn)能方式——光合作用、化能自養(yǎng)作用、厭氧產(chǎn)能等

C.生物固氮D.次生代謝產(chǎn)生復(fù)雜有機物E.對復(fù)雜有機物的生物轉(zhuǎn)化③代謝產(chǎn)物的多樣性微生物的分布廣、種類多這一特點，為人類在新世紀中進一步開發(fā)利用微生物資源提供了無限廣闊的前景——微生物資源學(xué)。⑤生態(tài)類型的多樣性④遺傳基因的多樣性

第八頁，共36頁。Diversityinspecies雖然目前已定種的微生物只有大約10萬種，遠較動植物為少，但一般認為目前為人類所發(fā)現(xiàn)的微生物還不到自然界中微生物總數(shù)的1%第九頁，共36頁。人體體表及體內(nèi)存在大量的微生物：皮膚表面：平均10萬個細菌/平方厘米；口腔：細菌種類超過500種；腸道：微生物總量達100萬億，糞便干重的1/3是細菌，每克糞便的細菌總數(shù)為：1000億個；微生物無處不在，我們無時不生活在“微生物的海洋”中細菌數(shù)億/g土壤，土壤中的細菌總重量估計為：10034×1012噸每張紙幣帶細菌：900萬個；每個噴嚏的飛沫含4500-150000個細菌，重感冒患者為8500萬第十頁，共36頁。強酸、強堿、高熱的極端環(huán)境；數(shù)十公里的高空（最高為離地85公里，須用火箭采樣）；幾千米的地下；常年封凍的冰川人跡可到之處，微生物的分布必然很多，而人跡不到的地方，也有大量的微生物存在！第十一頁，共36頁。從永凍冰層分離微生物第十二頁，共36頁。南極Vostok湖冰芯樣品中的微生物第十三頁，共36頁。微生物與人類關(guān)系的重要性，我們怎么強調(diào)都不過分。微生物是一把典型的雙刃劍，它們在給人類帶來巨大利益的同時也帶來“殘忍”的破壞；它給人類帶來的利益不僅是享受，而且實際上涉及到人類的生存?？梢赃@么說，微生物既是人類的敵人又是人類的朋友。四、微生物與人類的關(guān)系以下我們從幾個大的方面體會一下微生物與人類的關(guān)系，看看微生物作為敵人的“面孔”和作為朋友的“模樣”。1.人類健康病原體、抗生素2.工業(yè)產(chǎn)品腐敗、發(fā)酵產(chǎn)品3.生物工程學(xué)（發(fā)酵、遺傳、細胞、酶、生物發(fā)應(yīng)器）工程→生物工程學(xué)4.農(nóng)業(yè)農(nóng)產(chǎn)品霉變、農(nóng)業(yè)栽培、生物農(nóng)藥第十四頁，共36頁。5.環(huán)境環(huán)境污染、物質(zhì)循環(huán)、環(huán)境保護四、微生物與人類的關(guān)系6.生命科學(xué)基礎(chǔ)理論研究生物中心法則、核酸的變性、復(fù)性和雜交、糖酵解、發(fā)酵、TCA循環(huán)、EMP途徑、生物膜的流動鑲嵌模型、呼吸鏈、氧化磷酸化、DNA的半保留復(fù)制、操縱子、生物代謝調(diào)節(jié)的方式、氨基酸的分解代謝途徑等。微生物確乎是一把明晃晃的雙刃劍。

第十五頁，共36頁。1.什么是微生物學(xué)（microbiology）微生物學(xué)是一門在細胞、分子或群體水平上研究微生物的形態(tài)構(gòu)造、生理代謝、遺傳變異、生態(tài)分布和分類進化等生命活動的基本規(guī)律，并將其應(yīng)用于工業(yè)發(fā)酵、醫(yī)藥衛(wèi)生、生物工程和環(huán)境保護等實踐領(lǐng)域的科學(xué)。五、微生物學(xué)及其分科2.微生物學(xué)的根本任務(wù)微生物學(xué)的根本任務(wù)是發(fā)掘、利用、改善和保護有益微生物，控制、消滅和改造有害微生物，為人類社會的進步服務(wù)。3.微生物學(xué)的分科微生物學(xué)已經(jīng)經(jīng)歷了一個多世紀的發(fā)展，已分化出大量的分支學(xué)科，而且還會不斷地形成新的學(xué)科和研究領(lǐng)域。第十六頁，共36頁。

五、微生物學(xué)及其分科第十七頁，共36頁。1.一個難以認識的微生物世界

（1）個體過于微小大多數(shù)微生物的個體在幾m-幾十m

，在顯微鏡發(fā)明之前僅靠肉眼難以發(fā)現(xiàn)和辨認。六、微生物學(xué)的發(fā)展史

（2）群體外貌不顯微生物的個體看不見，形成的群體（菌落或菌苔）雖然可見，一般也平淡無奇，不引人注意。（3）種間雜居混生自然狀態(tài)下雜居混生，在發(fā)明各種微生物的分離、培養(yǎng)技術(shù)之前，無法知道其真正的作用。（4）形態(tài)與作用因果難聯(lián)微生物的生長繁殖快，代謝活躍，傳染病早期并不引人注意，即便事態(tài)嚴重，往往也沒有意識到是微生物的活動。就是許多非病原微生物的生長活動所引起的各種生化變化（發(fā)酵、腐敗）等，也是如此。第十八頁，共36頁。2.微生物學(xué)的發(fā)展史整個微生物學(xué)的發(fā)展史是一部逐步克服上述認識微生物的4個障礙不斷探究它們的生活規(guī)律，開發(fā)利用有益微生物和控制有害微生物的歷史。（如顯微鏡的發(fā)明、無菌技術(shù)的應(yīng)用、純種分離和培養(yǎng)技術(shù)的建立等。）史前期8000年前-1676年初創(chuàng)期1676年-1861年奠基期1861年-1897年發(fā)展期1897年-1953年成熟期1953年-至今AntonyvanLeeuwenhoekLouisPasteurRobertKochE.BuchnerJ.WatsonF.Crick

（1）史前期（8000年前-1676年）這一時期的特點：低水平的應(yīng)用階段。以下一段話可以反映這一時期的特點：視而不見、嗅而不聞、觸而不覺、食而不察、得其益而不感其好、受其害而不知其惡。我們根據(jù)劃時代意義的事件扼要將微生物學(xué)的發(fā)展史分為5個時期。六、微生物學(xué)的發(fā)展史第十九頁，共36頁。在史前期，世界各國人民在自己的生產(chǎn)實踐中都積累了許多利用有益微生物和防治有害微生物的經(jīng)驗。例如發(fā)面、天然果酒和啤酒釀造、牛乳和乳制品的發(fā)酵以及利用霉菌來治療一些疾病等，但當時應(yīng)用水平最高并獨樹一幟的應(yīng)用應(yīng)該首推我國人民在制曲釀酒方面的偉大創(chuàng)造。

①釀酒②農(nóng)業(yè)③醫(yī)學(xué)（2）初創(chuàng)期（1676年-1861年）這一時期的特點：形態(tài)描述和分門別類的階段。荷蘭商人安東.列文虎克（AntonyvanLeeuwenhoek，1632-1723），是真正看見并描述微生物的第一個人。他的最大貢獻是利用自制的顯微鏡發(fā)現(xiàn)了微生物世界（當時被稱之為微小動物）。顯微鏡構(gòu)造簡單，僅一個透鏡安裝在兩片金屬薄片的中間，在透鏡前面有一根金屬短棒，在棒的尖端擱上需要觀察的樣品，通過調(diào)焦螺旋調(diào)節(jié)焦距。六、微生物學(xué)的發(fā)展史第二十頁，共36頁。AntonyvanLeeuwenhoek列文虎克和他的顯微鏡六、微生物學(xué)的發(fā)展史第二十一頁，共36頁。a.顯微鏡b.描述的細菌列文虎克的顯微鏡和描述的細菌二、微生物學(xué)的發(fā)展史第二十二頁，共36頁。實際上，列文虎克是清楚地看見了細菌和原生動物，首次向世人揭示了一個嶄新的生物世界——微生物世界。由于列文虎克的劃時代貢獻，他在1680年被選為英國皇家學(xué)會會員。（3）奠基期（1861年-1897年）十九世紀中期，以法國的巴斯德和德國的柯赫為代表的科學(xué)家揭示了微生物才是造成腐敗發(fā)酵和人畜疾病的原因，并建立了分離、培養(yǎng)、接種和滅菌等一系列獨特的微生物技術(shù)，從而奠定了微生物學(xué)的基礎(chǔ)，同時開辟了醫(yī)學(xué)和工業(yè)微生物等分支學(xué)科。巴斯德和柯赫是微生物學(xué)的奠基人。這一時期的特點：從形態(tài)描述推進到生理水平的研究階段。

①巴斯德（LouisPasteur，1822-1895）巴斯德原來是化學(xué)家，在化學(xué)領(lǐng)域中作出過重要的貢獻，后來又轉(zhuǎn)向于微生物學(xué)的研究領(lǐng)域，所做的工作為微生物學(xué)的建立和發(fā)展作出了卓越的貢獻。六、微生物學(xué)的發(fā)展史第二十三頁，共36頁。A.徹底否定了“自生說”學(xué)說

a.“自生說”b.曲頸瓶試驗六、微生物學(xué)的發(fā)展史第二十四頁，共36頁。B.免疫學(xué)——預(yù)防接種

a.Jenner種痘法可預(yù)防天花，但未能闡明免疫機制C.證實發(fā)酵是由微生物引起的b.減毒疫苗——雞霍亂病、牛、羊炭疽病、狂犬病D.其他貢獻（巴斯德消毒、巴斯德效應(yīng)）②柯赫（1843-1910）柯赫是著名的細菌學(xué)家，由于他曾經(jīng)是一名醫(yī)生，因此對病原細菌的研究作出了突出的貢獻。RobertKochA.具體證實了炭疽病菌是炭疽病的病原菌；

B.發(fā)現(xiàn)了肺結(jié)核病的病原菌，這是當時死亡率極高的傳染性疾病，因此柯赫獲得了諾貝爾獎；

C.提出了證明某種微生物是否為某種疾病病原體的基本原則——柯赫法則。六、微生物學(xué)的發(fā)展史第二十五頁，共36頁?？潞辗▌t示意圖六、微生物學(xué)的發(fā)展史第二十六頁，共36頁。柯赫在病原菌研究方面的開創(chuàng)性工作，自19世紀70年代至20世紀20年代成了發(fā)現(xiàn)病原菌的黃金時代。柯赫除了在病原菌研究方面的偉大成就外，在微生物基本操作技術(shù)方面的貢獻更是為微生物學(xué)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，這些技術(shù)包括：A.用固體培養(yǎng)基分離純化微生物的技術(shù)，這是進行微生物學(xué)研究的基本前提，這項技術(shù)一直沿用至今；

B.配制培養(yǎng)基，也是當今微生物學(xué)研究的基本技術(shù)之一。這兩項技術(shù)不僅是具有微生物學(xué)研究特色的重要技術(shù)，而且也為當今動植物細胞的培養(yǎng)作出了十分重要的貢獻。由于巴斯德和柯赫的杰出工作，微生物學(xué)作為一門獨立的學(xué)科開始形成，并且出現(xiàn)以他們?yōu)榇矶⒌母鞣种W(xué)科。細菌學(xué)（巴斯德、柯赫等）消毒外科技術(shù)（J.Lister）免疫學(xué)（巴斯德、Metchnikoff、Behring、Ehrlich等）六、微生物學(xué)的發(fā)展史第二十七頁，共36頁。病毒學(xué)（Ivanowsky、Beijerinck等）植物病理學(xué)和真菌學(xué)（Bary、Berkeley等）釀造學(xué)（Hensen、Jorgensen等）化學(xué)治療法（Ehrlish等）微生物學(xué)的研究內(nèi)容日趨豐富，使微生物學(xué)的發(fā)展更加迅速。

（4）發(fā)展期（1897年-1953年）1897年，德國科學(xué)家E.Buchner用無細胞酵母菌壓榨汁中的“酒化酶”對葡萄糖進行酒精發(fā)酵成功，從而開創(chuàng)了微生物生化研究的新時代。此后，微生物生理代謝研究就蓬勃地開展起來了。E.Buchner這一時期的特點如下：

A.進入了微生物生化水平的研究；

B.應(yīng)用微生物的分支學(xué)科更為擴大；C.出現(xiàn)了尋找有益微生物代謝產(chǎn)物的熱潮；六、微生物學(xué)的發(fā)展史第二十八頁，共36頁。D.普通微生物學(xué)開始形成；E.相關(guān)學(xué)科相互滲透促進了微生物學(xué)的發(fā)展。整個生命科學(xué)進入了分子生物學(xué)研究的新階段，同樣也是微生物學(xué)發(fā)展史上成熟期到來的標志。

（5）成熟期（1953年-至今）1953年2月28日，Watson和Crick建立了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)理論，奠定了現(xiàn)代分子生物學(xué)的基礎(chǔ)，整個生命科學(xué)由此展開了新的一頁。他們倆因此獲得了諾貝爾獎。這是迄今為止分量最重的一項諾貝爾獎，“是諾貝爾獎中的諾貝爾獎”。本時期的特點為：

A.微生物學(xué)從一門在生命科學(xué)中較為孤立的應(yīng)用為主的學(xué)科迅速成為一門十分熱門的前沿基礎(chǔ)學(xué)科；六、微生物學(xué)的發(fā)展史第二十九頁，共36頁。B.在基礎(chǔ)理論研究方面，逐步進入到分子水平的研究，微生物迅速成為分子生物學(xué)研究中的主要對象；C.在應(yīng)用研究方面，微生物已成為新興的生物工程中的主角。微生物學(xué)的發(fā)展史是一部認識微生物的歷史、開發(fā)利用有益微生物的歷史、控制和消滅有害微生物的歷史。六、微生物學(xué)的發(fā)展史3.微生物學(xué)發(fā)展過程中的重大事件1890，VonBehring制備抗毒素治療白喉和破傷風；1892，Ivanovsky提供煙草花葉病是由病毒引起的證據(jù)；1928，Griffith發(fā)現(xiàn)細菌轉(zhuǎn)化；1929，F(xiàn)leming發(fā)現(xiàn)青霉素；1944，Avery等證實轉(zhuǎn)化過程中DNA是遺傳信息的載體；1953，Watson和Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)；1970-1972，Arber、Smith和Nathans發(fā)現(xiàn)并提純了DNA限制性內(nèi)切酶；第三十頁，共36頁。1977，Woese提出古生菌是不同于細菌和真核生物的特殊類群；

六、微生物學(xué)的發(fā)展史Sanger首次對Ф×174噬菌體DNA進行了全序列分析；1982-1983，Prusiner發(fā)現(xiàn)朊病毒（prion）；1983-1984,Mullis建立PCR技術(shù)；1995，第一個獨立生活的細菌（流感嗜血桿菌）全基團組序列測定完成；1996，第一個自養(yǎng)生活的古生菌基因組測定完成；1997，第一個真核生物（啤酒酵母）基因組測序完成。第三十一頁，共36頁。20世紀的微生物學(xué)走過了輝煌的歷程，面對新的21世紀，展望她的未來，將是—幅更加絢麗多彩的立體畫卷，在這畫卷上也可能會出現(xiàn)我們目前預(yù)想不到的閃光點。因此，我們在這里只能是勾勒一下21世紀微生物學(xué)發(fā)展的趨勢。七、微生物學(xué)研究現(xiàn)狀和發(fā)展1.微生物基因組學(xué)目前已經(jīng)完成基因組測序的微生物主要是模式微生物、特殊微生物及醫(yī)用微生物，而隨著基因組作圖測序方法的不斷進步與完善，基因組研究將成為一種常規(guī)的研究方法，為從本質(zhì)上認識微生物自身以及利用和改造微生物將產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，并將帶動分子微生物學(xué)等基礎(chǔ)研究學(xué)科的發(fā)展。2.微生物蛋白質(zhì)組學(xué)我們知道，遺傳的中心法則為：DNA

→RNA→protein。通過研究微生物蛋白質(zhì)組學(xué)，研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，更好地充分利用和改造微生物。第三十二頁，共36頁。3.微生物生態(tài)學(xué)以了解微生物之間、微生物與其他生物、微生物與環(huán)境的相互作用為研究內(nèi)容的微生物生態(tài)學(xué)、環(huán)境微生物學(xué)、細胞微生物學(xué)等，將在基因組信息的基礎(chǔ)上獲得長足發(fā)展，為人類的生存和健康發(fā)揮積極的作用。七、微生物學(xué)研究現(xiàn)狀和發(fā)展4.微生物生命現(xiàn)象的特性和共性微生物生命現(xiàn)象的特性和共性可概括為：

①微生物具有其他生物不具備的生物學(xué)特性，例如可在其他生物無法生存的極端環(huán)境下生存和繁殖，具有其他生物不具備的代謝途徑和功能，如化能營養(yǎng)、厭氧生活、生物固氮和不釋放氧的光合作用等，反